BETONOWE KONSTRUKCJIE MASYWNE

BETONOWE KONSTRUKCJIE MASYWNE Przedziały masywności dla poszczególnych grup elementów NIEMASYWNE M>15m -1 e m <0,15 m ŚREDNIOMASYWNE 2<M<15m -1 0,15<e m <1,0 m MASYWNE M<2m -1 e m >1,0 m 1

FAZY ROZWOJU BETONU Podział okresu dojrzewania betonu na fazy rozwoju: I faza - świeży beton do 6 8 godzin, II faza - młody beton od 6 8 do 24 48 godzin, III faza beton stwardniały po 24 48 godzinach. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA UWARUNKWAŃ TWORZENIA SIĘ RYS 2

MECHANIZM WPŁYWÓW TERMICZNYCH Temperatura betonu konstrukcji masywnej MECHANIZM WPŁYWÓW TERMICZNYCH Niejednorodne i niestacjonarne pola temperatury twardniejącego betonu kształtowane są w zależności od: - ilości i rodzaju stosowanego cementu, - przewodności i pojemności cieplnej betonu, - intensywności wymiany ciepła z otoczeniem, - temperatury początkowej mieszanki betonowej i temperatury otoczenia, - wymiarów i proporcji geometrycznych realizowanego fragmentu konstrukcji, - wpływów sąsiednich bloków betonowych. 3

MECHANIZM WPŁYWÓW TERMICZNYCH Temperatury i naprężenia termiczne w elemencie betonowym pozbawionym swobody odkształcenia WARUNKI TWARDNIENIA BETONU 4

PROBLEMY BUDOWY KONSTRUKCJI MASYWNEJ 1) receptura betonu powinna zostać dobrana tak, aby do wnętrza konstrukcji wprowadzać jak najmniej ciepła hydratacji (utajonego w cemencie), 2) wprowadzone już do konstrukcji ciepło hydratacji powinno wydzielać się jak najwolniej - daje to czas na odprowadzenie ciepła na zewnątrz konstrukcji, 3) wydzielające się wewnątrz konstrukcji ciepło hydratacji powinno mieć jak najmniejszą drogę do przebycia - odprowadzanie ciepła wywoła wówczas mały przyrost temperatury. MONOLITYCZNOŚĆ KONSTRUKCJI I CZYNNIKI TECHNOLOGICZNE Przy określonych projektem własnościach konstrukcji zachowanie monolityczności zależy od: 1) rozwoju pola temperatury T(t), 2) odkształcalności termicznej betonu (λ betonu λ kruszywa), 3) rozwoju pola własności mechanicznych: E(t), ν(t), f(t), 4) koincydencji między rozwojem pola temperatury i pola własności wytrzymałościowych. Czynniki technologiczne mające na celu zapobieżenie utracie monolityczności na skutek naprężeń termicznych wywołanych ciepłem hydratacji : A. Czynniki dostępne w czasie wykonywania mieszanki betonowej. B. Czynniki dostępne w czasie betonowania. C. Czynniki dostępne w czasie pielęgnacji. 5

WPŁYW RODZAJU CEMENTU NA CIEPŁO HYDRATACJI Zasadniczy wpływ na szybkość wydzielania ciepła przez twardniejący cement oraz jego wartość całkowitą mają: - skład mineralogiczny spoiwa, - rozdrobnienie, - wartość stosunku wodno-cementowego, - zawartość dodatków hydraulicznych i pucolanowych - temperatura twardnienia zaczynu. Metody określenia temperatury dojrzewającego betonu - metody analityczne (K.Flaga, W.Kiernożycki, ); - metody numeryczne (K. van Breugel) model dojrzewającego betonu symulujący rozwój struktury w rzeczywistej konstrukcji umożliwiający wyznaczenie temperatury w zmieniających się warunkach związanych z dojrzewaniem młodego betonu; - pomiary bezpośrednie. 6

Określenie dojrzałości młodego betonu Wskaźnik dojrzałości betonu stosunek odpowiedniej wartości cechy materiału po pewnym czasie dojrzewania do jej wartości końcowej D(t)=f c (t)/f c,28 f c (t) wytrzymałość betonu na ściskanie po czasie t, f c,28 wytrzymałość betonu na ściskanie po 28 dniach Określenie dojrzałości młodego betonu Stopień hydratacji cementu stosunek masy cementu zhydratyzowanego do całkowitej masy cementu w mieszance betonowej (t)=w ht /w h w ht, w h ilość wody związanej chemicznie przez jednostkę masy cementu w czasie t oraz całkowita ilość wody związanej chemicznie podczas procesu hydratacji (t)=q(t)/q c Q(t), Qc ciepło hydratacji wydzielone po czasie t dojrzewania oraz całkowite ciepło hydratacji odniesione do masy cementu 7

Określenie dojrzałości młodego betonu Stopień hydratacji w funkcji czasu dojrzewania t a - skorygowany czas dojrzewania w temperaturze porównawczej 20 o C c/w stosunek ilości cementu do wody Funkcja temperatury wg: Kiernożyckiego, Pesersena oraz van Breugela 8

Energia aktywacji cementu CHARAKTERYSTYKI WYTRZYMAŁOŚCIOWE MŁODEGO BETONU METODY ANALITYCZNE 9

10

Skurcz twardniejącego betonu Skurcz twardniejącego betonu wywoływany jest przynajmniej trzema niezależnymi procesami: 1. Parowaniem wody z kapilar tężejącej mieszanki betonowej, 2. Zmniejszeniem objętości układu woda-cement w wyniku postępujących reakcji chemicznych tworzenia hydratów, 3. Zespołem zjawisk fizycznych przebiegających na granicy faz związanych ze zmianą napięcia powierzchniowego żelu cementowego przy zmieniającej się grubości warstwy adsorpcyjnej wody. SKURCZ AUTOGENICZNY Rozróżnia się odkształcenia skurczowe wywoływane: - wysychaniem betonu w wyniku parowania wody, - odkształcenia generowane skurczem autogenicznym (chemiczny, samoczynny) zachodzącym w warunkach braku wymiany wilgoci twardniejącego betonu z otoczeniem atmosferycznym. Skurcz autogeniczny wywoływany jest zmianami objętości układu wodacement w wyniku postępujących reakcji chemicznych, a także następstwami zjawisk fizycznych. W odniesieniu do konstrukcji masywnych, istotne znaczenie ma skurcz autogeniczny. Zasadniczym czynnikiem determinującym wartości skurczu autogenicznego twardniejącego betonu jest stosunek wodno-cementowy zaczynu. 11

-6 Skurcz ( x 10 ) = SKURCZ AUTOGENICZNY T ścis kanie r ozciąga nie T S f ctm r ozciąga nie t t + S T S + ścis kanie r ozciąga nie T + S rysa Termiczno-skurczowe naprężenia wymuszone konstrukcji masywnych t f ctm SKURCZ AUTOGENICZNY Czas [dni] 1 0-200 -400 10 100 1000 W/C=0.20 W/C=0.30 W/C=0.40 W/C=0.50 W/C=0.60-600 -800 Skurcz autogeniczny betonu w zależności od wskaźnika w/c 12

UWARUNKOWANIA TECHNOLOGICZNO- MATERIAŁOWE PROJEKTOWANIA I REALIZACJI BETONOWYCH KONSTRUKCJI MASYWNYCH UWARUNKOWANIA KONSTRUKCYJNE Naprężenia termiczne w przekroju płyty fundamentowej 13

UWARUNKOWANIA KONSTRUKCYJNE Wpływ oporu liniowego na naprężenia wymuszone w masywnym elemencie ściennym Zbrojenie masywnych płyt betonowych z uwagi na oddziaływania pośrednie Minimalne pole przekroju zbrojenia A s,min, umieszczonego w strefie rozciąganej: A s, min k kf ct, eff A ct - pole poprzecznego przekroju strefy rozciąganej betonu, f ct,eff - średnia wytrzymałość betonu na rozciąganie w chwili spodziewanego pojawienia się rys, k współczynnik korekcyjny uwzględniający wpływ nieliniowego rozkładu naprężeń w przekroju elementu, k = 0,8 gdy h 300 mm oraz k = 0,5 gdy h 800 mm k c współczynnik uwzględniający rozkład naprężeń w przekroju w chwili poprzedzającej powstanie rysy. k c =1 dla osiowego rozciągania c Act s 14

Uwarunkowania konstrukcyjne Uwarunkowania konstrukcyjne 15

Obliczeniowa szerokość rozwarcia w k rys prostopadłych do osi elementu wk E sr 2 k1k 1 1 2( ) ) (50 0.25 ) s 2 ( s - współczynnik określający stosunek obliczeniowej szerokości rysy do jej szerokości średniej. Jeżeli zarysowanie jest spowodowane przez obciążenia bezpośrednie należy przyjąć = 1,7. Jeżeli jedynymi obciążeniami generującymi rozciąganie przekroju, którego najmniejszy wymiar nie przekracza 300 mm, są obciążenia pośrednie, to dopuszcza się = 1,3. Współczynniki 1 i 2 przyjmuje się w zależności od rodzaju zastosowanego zbrojenia. σ s oraz σ sr określają odpowiednio naprężenie w zbrojeniu rozciąganym, obliczone w przekroju przez rysę - przy obciążeniu wywołującym zarysowanie oraz przy obciążeniu założonym. φ - średnica zbrojenia w mm, k 1 - współczynnik zależny od przyczepności prętów, k 2 współczynnik zależny od rozkładu odkształceń w przekroju, ρ r - tzw. efektywny stopień zbrojenia. s r Średnica zbrojenia, dla ustalonej dopuszczalnej szerokości rys określa równanie:, 2wk Es 4 fctm r [ 50] k k Pole powierzchni zbrojenia A s : s 1 2 s 1 As (12,5 kf 2E w s k ct,eff bd (12,5 kf ct,eff 2 2 bd) 0,2 E w k A s k ct,eff bdf ct, eff ) Wzór nie może być stosowany, gdy naprężenia w stali zbrojeniowej przekraczają wartość σ s > f yk. Niezbędny przekrój zbrojenia odniesiony do poszczególnych powierzchni przekroju poprzecznego nie może być mniejszy od: A 0.5 kf s ct,eff bd f yk 16

ODKSZTAŁCENIA WYMUSZONE OPORY ELEMENTÓW Rodzaje odkształceń wymuszonych: - skurcz betonu, - wczesne ruchy termiczne wywołane ochładzaniem się elementu w ciągu kilku dni po zabetonowaniu ODKSZTAŁCENIA WYMUSZONE 17

ODKSZTAŁCENIA WYMUSZONE Szerokość rozwarcia rys: Rozróżnia się dwa etapy projektowania - stan przed zarysowaniem, - stan po zarysowaniu. Etap I Obliczanie odkształceń i naprężeń w niezarysowanych przekrojach betonowych poddanych odkształceniom wymuszonym Odkształcenie na wysokości z w przekroju jest równe: Naprężenia w betonie obliczmy wg wzoru: 18

19

20

ODKSZTAŁCENIA WYMUSZONE Etap II. Obliczanie szerokości rys od odkształceń wymuszonych Etap IIA Opory elementu na końcach maksymalna szerokość rysy: Naprężenia w stali zbrojeniowej 21

ODKSZTAŁCENIA WYMUSZONE Etap II. Obliczanie szerokości rys od odkształceń wymuszonych Etap II B Długa ściana skrępowana wzdłuż dolnej krawędzi Maksymalna szerokość rysy: A. Seruga, R, szydłowski, M, Zych Ocena postępującego procesu zarysowania ścian cylindrycznych w monolitycznych zbiornikach żelbetowych. Czasopismo Techn, Z-1B/2008 22

A. Seruga, R, Szydłowski, M, Zych Ocena postępującego procesu zarysowania ścian cylindrycznych w monolitycznych zbiornikach żelbetowych. Czasopismo Techn, Z-1B/2008 A. Seruga, R, szydłowski, M, Zych Ocena postępującego procesu zarysowania ścian cylindrycznych w monolitycznych zbiornikach żelbetowych. Czasopismo Techn, Z-1B/2008 23

A. Seruga, R, szydłowski, M, Zych Ocena postępującego procesu zarysowania ścian cylindrycznych w monolitycznych zbiornikach żelbetowych. Czasopismo Techn, Z-1B/2008 24

Literatura wykorzystana w prezentacji: 1. W. Kiernożycki: Projektowanie i realizacja masywnych elementów płytowych konstrukcji masywnych. XXV Ogólnopolskie Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, Szczyrk 2010. 2. W. Kiernożycki: Betonowe konstrukcje masywne, Polski Cement, Kraków 2003. 3. P. Ludera: Charakterystyka cech mechanicznych młodego betonu w elementach średniomasywnych. Przegląd literatury i badania własne. Zeszyty Nauk. Politechniki Rzeszowskiej nr 208, Z. 36, 2004 4. A. Seruga, R, Szydłowski, M, Zych: Ocena postępującego procesu zarysowania ścian cylindrycznych w monolitycznych zbiornikach żelbetowych. Czasopismo Techn, Z-1B/2008 5. P. Witakowski: Technologia budowy konstrukcji masywnych z betonu. XIII Konferencja Naukowa Korbielow 2001 Metody Komputerowe w Projektowaniu i Analizie Konstrukcji Hydrotechnicznych 6. P. Witakowski: Uszkodzenia Termiczne przyczółków mostowych. Czasopismo Techn, 3-Ś/ Z- 21/2011 7. PN-EN 1992-3. Eurokod 2. Projektowanie konstrukcji z betonu. Część 3: Silosy i zbiorniki na ciecze. 25